CAPÍTULO 1 GENERALIDADES Si bien el significado de la expresión Calidad del Agua se asocia en sus orígenes con la utilización del agua para el consumo humano, la gran diversidad de usos y aplicaciones del agua que deriva de la expansión y el desarrollo de la civilización ha extendido ese significado original para ajustarlo a un nuevo espectro de significados y necesidades. Así, en la actualidad es tan importante conocer la calidad del agua para el consumo humano, como lo es también para el riego de cultivos, para el uso industrial en calderas, para la fabricación de productos farmacéuticos, para la expedición de licencias ambientales, para el diseño y ejecución de programas de monitoreo, para adecuarla a las múltiples aplicaciones analíticas de los laboratorios y como herramienta de control para regular y optimizar el funcionamiento de las plantas de purificación y tratamiento de aguas, entre muchos otros fines. Así, en la actualidad, el significado de la palabra calidad en el campo del agua, está siempre sujeto a un uso o aplicación previamente definido. Por tanto, una determinada fuente de aguas puede tener la calidad necesaria para satisfacer los requerimientos de un uso en particular, pero al mismo tiempo no ser apta para otro. En síntesis, no existe un tipo de agua que satisfaga los requerimientos de calidad para cualquier uso concebible ni tampoco un criterio único de calidad para cualquier fin. 1.1 El ciclo del agua El agua es el origen de la vida y la sustancia esencial para su desarrollo. Regula la distribución y la densidad de la vegetación sobre la superficie de la tierra y con esto, ejerce un control sobre la vida misma. Por ello, no es casual que las grandes civilizaciones hayan florecido siempre sobre las riberas de los principales ríos: Los egipcios alrededor del Nilo, los hindúes alrededor del Ganges, los alemanes sobre las riberas del Rin o los franceses alrededor del Sena, para nombrar tan solo algunos ejemplos. El agua en la naturaleza es un ente dinámico; cambia constantemente de lugar, de estado y de composición. Puede encontrarse como agua salada en los océanos, como agua dulce en algunas fuentes naturales o en forma químicamente muy pura, en las grandes masas nubosas continentales. Continuamente, una gran cantidad de agua se transforma en carbohidratos mediante los procesos fotosintéticos que realizan las plantas y otra cantidad semejante es generada, mediante la respiración de los organismos aeróbicos (figura 1.1). El ciclo del agua mostrado en la (figura 1.2) indica los diferentes estados y caminos por los que transita el agua en su constante movimiento. Aunque el común de la gente se halla familiarizada con este ciclo, paralelamente a él ocurren otros más, menos evidentes pero igualmente importantes. Uno de ellos es el ciclo hidrogeoquímico, proceso mediante el cual el agua, en su continuo movimiento, transporta desde el interior de los continentes hasta el fondo del lecho oceánico, enormes cantidades de materiales disueltos y en suspensión. En efecto, el ciclo del agua realiza
en su movimiento un proceso extractivo sobre los materiales de la corteza terrestre, semejante al que realiza el solvente sobre una muestra colocada en un sistema Soxhlet 1. FIGURA 1.1 FOTOSÍNTESIS Y RESPIRACIÓN COMO PARTE DEL CICLO DEL AGUA. FUENTE: AUTOR En esta analogía, la corteza terrestre constituye la muestra o material extractable, el agua el solvente extractante, el mar el hervidor en donde se concentra el extracto y el sol, la fuente de energía que mantiene activo el proceso (figura 1.3). Precipitación Evapotranspiración Escorrentía Evaporación Agua Subterránea Infiltración FIGURA 1.2 CICLO DEL AGUA EN ZONA URBANA. FUENTE: PROJECTS.CH2M.COM/TUSCWSP/ IMG/HYDRO.JPG Cada sifoneo en el Soxhlet representa un ciclo completo en la naturaleza, es decir, una lloviznita equivalente al chapuzón que recibiría la tierra, si toda el agua existente en los ríos, lagos y mares del mundo, lloviese de repente sobre los continentes durante un solo evento de precipitación. Aunque en realidad los ciclos del agua en la naturaleza distan mucho de parecerse a los de un 1 Soxhlet: Equipo de laboratorio utilizado para obtener extractos de productos naturales en Química Orgánica
Soxhlet, el resultado en cuanto al transporte de materia si es muy semejante. Es en virtud de este transporte de masa, que el agua del mar tiene su salinidad característica. FIGURA 1.3 SISTEMA DE EXTRACCIÓN CON SOXHLET. FUENTE: AUTOR Pero el agua al caer y transitar sobre la superficie de la tierra no solamente transporta materiales hacia el mar, sino que también erosiona la superficie, moldea el paisaje y esculpe nuevas formas sobre la superficie de la tierra. A su paso por los continentes, el agua renueva la vegetación y activa los ciclos vitales en cada uno de los ecosistemas. FIGURA 1.4 AGUA COMO AGENTE MODIFICADOR DEL PAISAJE. FUENTE: ENCARTA 2002. Otro de los ciclos paralelos al gran ciclo hidrológico, lo constituye el fraccionamiento isotópico del agua, el cual es accionado por los procesos de evaporación y condensación. Para entender este fraccionamiento, es necesario partir del reconocimiento de la existencia de los tres isótopos del hidrógeno y los dos del oxígeno: Oxígeno Número Atómico 8 Masa Atómica 16 Oxígeno Número Atómico 8 Masa Atómica 17 Hidrógeno Número Atómico 1 Masa Atómica 1 Hidrógeno Número Atómico 1 Masa Atómica 2 Hidrógeno Número Atómico 1 Masa Atómica 3 8 O 16 8 O 17 1 H 1 1 H 2 1 H 3
Aunque estamos acostumbrados a referirnos al agua mediante la fórmula molecular H 2 O, en realidad las moléculas de agua, en cualquier parte del universo, están formadas por moléculas constituidas por todas las combinaciones posibles de estos isótopos. Así las cosas, el agua no está compuesta exclusivamente por agua de masa molecular 18, sino que ésta forma coexiste con todas las demás formas posibles, a partir de la combinación entre los diferentes isótopos de hidrógeno y oxígeno, esto es, agua de masa molecular 19, DHO, agua de masa molecular 20, D 2 O, etcétera. Por otra parte, es bien conocido el hecho de que dentro de una misma familia de compuestos químicos, cuanto mayor es la masa molecular del compuesto, mayores son sus puntos de fusión y de ebullición. Esto significa que el agua de masa molecular 18, funde y ebulle a temperaturas ligeramente más bajas que el agua de masa molecular 19 o 20. Así, durante el proceso de evaporación del agua desde el mar o desde cualquier otro cuerpo de agua superficial, ocurre un fraccionamiento isotópico por medio del cual el agua que permanece en estado líquido dentro de la fuente expuesta, aumenta su concentración en isótopos pesados (se enriquece en H 2 y O 18 ), mientras que la masa de vapor que se desprende, se enriquece en isótopos livianos (H 1, y O 16 ). A su vez, cuando dichas masas nubosas ganan altura, se enfrían y condensan causando eventos de precitación, en donde el agua que se precipita en forma de lluvia, posee un mayor contenido de isótopos pesados, en relación con la composición isotópica de la masa nubosa remanente. Esto, debido a que las moléculas más pesadas se condensan primero que las más livianas. El efecto global de los fenómenos de evaporación y condensación del agua en el ciclo hidrológico trae como consecuencia que, de una manera muy aproximada, cada cuerpo de aguas puede caracterizarse por su proporción relativa de isótopos livianos y pesados, es decir, por su firma isotópica que le caracteriza y distingue de los demás cuerpos de agua. Así, merced al fraccionamiento isotópico del ciclo hidrológico, la isotopía constituye una herramienta natural sumamente útil en los estudios hidrológicos y ambientales. 1.2 Agua dulce agua salada Un Inventario Instantáneo de las fuentes hídricas terrestres, desde los 4000 metros de altura hasta los 4000 metros de profundidad, en relación con el nivel del mar, muestra los siguientes resultados (Fetter, 1994): Agua salada en los océanos: 97,20% Agua en los glaciares y capas polares: 2,14% Agua Subterránea: 0,61% Agua superficial, (ríos, lagos, etc.): 0,009% Agua como humedad del suelo: 0,005% Agua atmosférica, (vapor, nubes): 0,001% Este balance indica por sí solo la importancia que tiene el agua subterránea como fuente potencial para el abastecimiento humano (Fetter, 1991) y la escasa proporción del agua dulce en relación con el volumen total de agua existente sobre la Tierra. Obsérvese como las reservas de agua subterránea son aproximadamente 70 veces más grandes que las de agua superficial y como, las reservas de aguas superficiales y subterráneas, juntas, apenas constituyen el 0,6% del agua líquida total del planeta. Si bien las tres cuartas partes de la
superficie terrestre se hallan cubiertas de agua, su volumen realmente disponible es muy bajo, máxime en la era moderna, en donde los fenómenos de contaminación del agua reducen cada vez más el volumen de agua dulce que aun queda disponible. En un lenguaje cotidiano, la aparente abundancia del agua en la Tierra es tan subjetiva como lo podría ser el disponer en la mesa de un litro de leche, del cual escasamente se pueden consumir seis mililitros...! Las diferencias entre el agua dulce y el agua salada presente en los océanos pueden apreciarse fácilmente mediante el análisis comparativo de su composición. Si bien estas diferencias pueden verse, tan grandes o tan simples como queramos, ellas determinan su uso potencial para el abastecimiento humano y para muchos otros muchos fines cotidianos. La tabla 1 y la figura 1.5 ilustran estas diferencias. Cloruros: 1,91 % Sodio: 1,06 % Sulfato: 0,27 % Magnesio: 0,13 % Calcio: 0,04 % Trazas: 0,025 % FIGURA 1.5 COMPOSICIÓN PORCENTUAL DEL AGUA DE MAR. FUENTE: AUTOR Parámetro Agua lluvia2 agua de mar3 ph 5,6 8,2 Conductividad, µs/cm 6 48300 Calcio, mg/l 0,3 418 Magnesio, mg/l 0,6 1330 Sodio, mg/l 1,2 11035 Potasio, mg/l 0,6 397 Cloruros, mg/l < 5 19841 Bicarbonatos, mg/l 7 146 Sulfatos, mg/l < 5 2769 Nitratos, mg/l, (N) No Medido < LD TABLA 1 COMPOSICIÓN COMPARATIVA DE AGUA LLUVIA Y AGUA DE MAR. 1.3 Conceptos generales Como ya fue expuesto, cuando se habla de calidad de aguas es porque se tiene implícita una aplicación específica. Dichas aplicaciones las define el cliente o usuario de los resultados y 2 Muestra tomada en Apartadó, aproximadamente a 6 km de la línea de costa, Cárdenas, 1994. 3 Composición media del agua de mar. Tabla 23.5, Groundwater and Wells, Driscoll, F., 1989.
generalmente están relacionadas con preguntas tales como Es apta esta fuente de aguas para el consumo humano?, es útil para el riego de cultivos frutales?, sirve para propósitos piscícolas?, es incrustante o corrosiva?, etcétera. La calidad de un cuerpo de aguas se determina en última instancia mediante procedimientos de muestreo, análisis de laboratorio e interpretación de resultados. Estas mismas pruebas, con diferente interpretación, pueden aplicarse también para el control y optimización de plantas de purificación y tratamiento de aguas; para el control, prevención y protección de fuentes hídricas y, en general, para el desarrollo de proyectos de evaluación e impacto ambiental. En este texto se presentan y discuten las operaciones básicas que se requieren para poder conceptuar sobre la calidad de un determinado cuerpo de aguas, teniendo como referencia la calidad con respecto al consumo humano, con respecto al riego de cultivos, con respecto al uso industrial y con respecto a las evaluaciones de impacto ambiental. 1.4. Necesidad de monitorear las fuentes de agua Una consecuencia inherente a la distribución del agua para el consumo de una población, la constituye la generación de grandes volúmenes de agua residual que, por lo general, tienen como punto de descarga final las mismas fuentes de abastecimiento. Este procedimiento puede resumirse así: Mediante una operación simple, una comunidad ribereña coloca sobre el cauce una bocatoma, ubicada en condición de aguas arriba con respecto del asentamiento, para abastecer mediante una red de suministro, las necesidades de la población. Las aguas residuales que se van generando, se van evacuando constantemente mediante un sistema de alcantarillado hasta un canal colector que las conduce nuevamente hacia el cauce, en un punto ubicado en condición de aguas abajo. Como consecuencia de este procedimiento, el agua que llega a las comunidades ubicadas aguas abajo de las primeras, será siempre de menor calidad. Cuando este procedimiento se repite a lo largo de la trayectoria de un río, sus aguas se van deteriorando hasta llegar a un punto en el cual el cauce pierde su capacidad natural de autodepuración. Las aguas se tornan incapaces para sostener la vida, se deteriora el ecosistema y ya no es posible que otra comunidad más, ubicada en condición aguas abajo, pueda servirse de este mismo cauce. En las actuales circunstancias el crecimiento de la población humana en muchos lugares del mundo es tal que prácticamente todas las comunidades se hallan ubicadas en condición aguas abajo. Ya que las aguas residuales contienen una amplia gama de contaminantes y de microorganismos patógenos, la vigilancia y el control sobre la calidad del agua que se distribuye constituye uno de los factores ambientales más importantes para cualquier comunidad, en cualquier lugar del mundo. 1.4. Epílogo EL HOMBRE Y EL AGUA Si el hombre es un sueño el agua es el rumbo, si el hombre es un pueblo el agua es el mundo, si el hombre es recuerdo el agua es memoria, si el hombre esta vivo el agua es la vida.
Si el hombre es un niño el agua es Paris, si el hombre la pisa el agua le salpica, cuídala como cuida ella de ti. Brinca, moja, vuela, lava, agua que vienes y vas. Rió, espuma, lluvia, niebla, nube, fuente, hielo, mar. Si el hombre es un sueño el agua es el rumbo, si el hombre es un pueblo el agua es el mundo. Si el hombre es recuerdo el agua es memoria, si el hombre esta vivo el agua es la vida. El agua es Paris, si el hombre la pisa el agua le salpica, cuídala como cuida ella de ti. Brinca, moja, vuela, lava, agua que vienes y vas. Rió espuma, lluvia, niebla, nube, fuente, hielo, mar. Agua barro en el camino agua que esculpes paisajes, agua que mueves molinos, agua que me da sed nombrarte, agua que le puedes al fuego, agua que agujereas la piedra, agua que estas en los cielos, como en la tierra. Brinca, moja, vuela, lava, agua que vienes y vas. Rió espuma, lluvia, niebla, nube, fuente, hielo, mar. Ejercicios de reflexión y aplicación Joan Manuel Serrat 1. Defina con sus propias palabras, los conceptos de calidad, agua residual, agua potable, ciclo hidrológico, ciclo hidrogeoquímico y ciclo isotópico. 2. Cómo se relacionan el ciclo del agua y el ciclo hidrogeoquímico con algunos ciclos vitales, tales como el ciclo del carbono y el ciclo del nitrógeno? 3. Reflexione y describa con sus propias palabras las principales diferencias que existen entre las aguas residuales domésticas, las aguas superficiales de un cauce no afectado, las aguas subterráneas y el agua de mar. 4. Describa cinco usos potenciales del agua y sus criterios de calidad asociados. 5. Sin agua, no hay vida, pero con agua y sin sol, habría vida? 6. Con agua y sol pero sin movimiento o ciclo, existiría la vida? 7. Reflexione sobre los elementos y las condiciones mínimas que sostienen la vida en la tierra, particularmente, aquellas diferentes del agua. 8. Cabría esperar una composición diferente en el agua del mar, hace diez millones de años? Y, dentro de diez millones de años, cabria esperar una composición diferente a la actual?